Szybkość metabolizmu a wielkość ciała i środowisko życia organizmów
SZYBKOŚC METABOLIZMU A WIELKOŚĆ CIAŁA I ŚRODOWISKO ŻYCIA ORGANIZMÓW
Jeden z głównych kierunków ewolucji zwierząt i roślin polegał na specjalizacji komórek organizmu, a zatem podziale pracy między nimi. W ciele człowieka umożliwia ona pełnienie określonych funkcji zwiększając jednocześnie wzajemne zależności. Wskutek tego uszkodzenie lub zniszczenie określonej ich grupy zaburza harmonijne funkcjonowanie całego organizmu. Bardzo ważną właściwością istot żywych jest ich zdolność do prowadzenia procesu przemiany materii. Całokształt reakcji chemicznych zachodzących w komórce i zapewniających jej wzrost, pobudliwość, zdolność do ruchu i regeneracji to metabolizm komórkowy. Wyodrębnia się dwie grupy procesów metabolicznych: anaboliczne i kataboliczne. Pierwsze to procesy chemiczne, w wyniku, których z prostych substancji powstają związki złożone. Rezultatem ich jest gromadzenie energii, wytwarzanie związków wchodzących w skład komórki oraz jej wzrost. Te drugie, procesy kataboliczne, powodują rozkład substancji złożonych, w wyniku, czego wyzwalana jest energia i zużywane substancje wchodzące w skład tej komórki. Procesy obu typów przebiegają w sposób ciągły i ich rozgraniczenie jest niezmiernie skomplikowane. Zachodzą one w sposób nienaruszający środowiska wewnętrznego komórki, pomimo zmian warunków zewnętrznych. Właściwość pozwalająca na utrzymanie stałości środowiska wewnętrznego uważana za najbardziej charakterystyczną dla wszystkich form życia została nazwana przez Waltera Cannona (1932-1953) homeostazą. Twierdził on, że istoty żywe reagują wysiłkiem mającym na celu zachowanie równowagi homeostatycznej w każdej sytuacji wskazującej na chorobę lub uszkodzenie. Hans Selye prowadzący szerokie badania nad fizjologią stresu zwrócił uwagę na fakt, iż bez względu na charakter źródła stresu biologicznego odziaływującego na dany organizm, ten ostatni będzie powielał zachowania prowadzące do odzyskania homeostazy wewnętrznej. Rolę katalizatorów w zmianach komórkowych pełnią produkowane przez niespecyficzne białka zwane enzymami. Nie mają one wpływu na kierunek przebiegu reakcji, a tylko przyspieszają moment osiągnięcia równowagi. Niektóre z nich składają się z dwóch komponentów: białka (apoenzym) i cząsteczki nieorganicznej (koenzym). W skład koenzymu wchodzą zwykle pewne witaminy, przy czym enzym przejawia katalityczne działanie tylko, gdy apoenzym jest połączony z koenzymem. Na aktywność enzymów wpływa szereg czynników. - Szybkość metabolizmu (przemiany energii) organizmów wodnych: im wyższa temperatura, tym większa jest szybkość metabolizmu;
Temperatura w granicach 50-60C powoduje ich nieodwracalną inaktywację, a silne oziębienie, gwałtowne zatrzymanie reakcji lub ich spowolnienie. Są one wrażliwe na zmiany pH (kwasowości lub zasadowości) środowiska, w którym przebiegają. Dla większości enzymów wewnątrzkomórkowych optymalne jest pH zbliżone do obojętnego. O szybkości reakcji enzymatycznych decyduje optymalizacja temperatury, pH, stężenia enzymu, ilości substratu i innych koniecznych współdziałających czynników. W sytuacji, gdy układ hormonalny nie funkcjonuje normalnie w warunkach stresu i nie może zapewnić optymalnej pracy układom enzymatycznym, zachodzi ograniczenie możliwości metabolicznych. Zatem w przypadku chorych na SM zalecana dieta i higieniczny tryb życia minimalizują obciążenia w obrębie metabolizmu komórkowego, co w konsekwencji przynosi efekt leczniczy poprzez powrót do równowagi biochemicznej i funkcjonalnej. Czynności rozmaitych części ciała są zespalane przez dwa układy koordynujące - nerwowy i wydzielania wewnętrznego. Układ nerwowy rozpatrywany jest jako centralny (CUN), w którego skład wchodzą: mózg, móżdżek, rdzeń przedłużony i rdzeń kręgowy; obwodowy układ nerwowy zawierający: nerwy obwodowe unerwiające receptory skórne i narządy zmysłów oraz efektory jak: mięśnie i gruczoły; autonomiczny układ nerwowy składający się z dwóch układów: sympatycznego i parasympatycznego, obu regulujących funkcje automatyczne jak: oddychanie, tętno, ciśnienie krwi, trawienie i inne. Bodźce nerwowe są rozprzestrzeniającą się we włóknach nerwowych reakcją elektrochemiczną. Przy czym przewodzenie w złączu nerwowo mięśniowym odbywa się drogą chemiczną. Czynnościowo cały układ nerwowy stanowi jednolitą całość i impuls, który powstał w jakimś receptorze, może być przeniesiony do każdego efektora w organizmie. Nasze narządy zmysłów otrzymują nieprzerwany strumień bodźców, jednak selektywność wynikająca z opóźnienia stykowego zapobiega niekontrolowanym akcjom mięśni i gruczołów. Gruczoły dokrewne wytwarzają substancje zwane hormonami (białka, aminokwasy lub sterydy). Przenoszone przez krew do komórek regulują i koordynują ich czynności, działając w bardzo małych stężeniach. W procesie przemiany materii hormony są stopniowo inaktywowane i usuwane z organizmu, a odpowiednie gruczoły muszą je uzupełniać. Synteza, inaktywacja i rozkład hormonów to procesy enzymatyczne. Grupy poszczególnych komórek tworzą tkanki, te zaś układy, które pełnią określone funkcje i realizują właściwe im cele. Najważniejszym jest zapewnienie pełnych możliwości funkcjonującemu organizmowi. Wzajemne dostosowywanie się wszystkich układów pozwala im na pracę w różnych warunkach. Zmiana stanu jednego zespołu tkanek pociąga za sobą zmianę kolejnych, przy czym istnieje skończony zakres przeprowadzanych zmian. Zanik pewnych więzi pomiędzy układami nadzorującymi pracę organizmu (hormonalnym i nerwowym) i ich niespójne funkcjonowanie może prowadzić do rozpoczęcia patologicznego procesu o charakterze reakcji łańcuchowej. Będzie to miało miejsce wówczas, gdy układ hormonalny nie odpowie na sygnał z CUN, w warunkach przeciążenia organizmu, przy jednoczesnym zaburzeniu współdziałania z autonomicznym układem nerwowym i zwrotnie zaburzonej funkcji pracy CUN. Obraz tych zaburzeń jest przedstawiony na poniższym wykresie. Liczby 2 i 3 oznaczają odpowiedź autonomicznego układu nerwowego (regulującego szerokość światła naczyń krwionośnych) i układu hormonalnego (regulującego szybkość przemiany materii, czyli tempo metabolizmu) na sygnał, jakim jest stres oznaczony liczbą 1. Z uwagi na brak korelacji tempa przemiany materii (względnie zmniejszone wydzielanie hormonów) i szybkości przepływu krwi rozpocznie się łańcuch patologicznych zmian.
E - układ energetyczny
M - emocje pozytywne (np. miłość)
N - emocje negatywne (np. nienawiść)
1. Impuls nerwowy w wyniku stresu
2. Odpowiedź układu hormonalnego
3. Zmiana tempa metabolizmu
Medycyna i biologia posługują się eksperymentami na zwierzętach dla zrozumienia procesów biologicznych zachodzących nie tylko w organizmach zwierząt, ale przez analogię, również i w organizmie człowieka. Nie zawsze są one zupełnie takie same, ale często są podobne. W 1950 roku J. Christian obserwując zmianę liczebności zajęcy przypominającą "reakcję alarmową" wywołaną u zwierząt doświadczalnych poddanych fizjologicznemu stresowi, wysunął przypuszczenie, że jest to spowodowane zakłóceniem pracy nadnerczy i przysadki mózgowej. Gwałtowny, nowy stres psychiczny stymuluje CUN, a zwłaszcza jego podwzgórze i stawia istotę żyjącą w stan alarmu, gotowości do ucieczki lub do walki. To pobudza rdzeń nadnerczy do wydzielania adrenaliny. W ten sposób pobudzony układ autonomiczny, sympatyczny i jego neurotransmiter noradrenaliny, powoduje wzrost ciśnienia krwi poprzez zwężenie naczyń krwionośnych, przyspieszenie akcji serca i inne reakcje stresowe. W tym czasie zachodzi proces ogólnej adaptacji. Przysadka mózgowa, główny narząd zawiadujący większością funkcji hormonalnych w organizmie, produkuje hormon adrenokortykotropowy (ACTH). ACTH z kolei stymuluje korę nadnerczy do produkcji kortysolu. Tak, więc stres pobudza nadnercza do wydzielania adrenaliny i kortysolu. W normalnych układach wzrost adrenaliny i kortysolu we krwi na zasadzie sprzężenia zwrotnego działa hamująco na CUN i na dalsze wydzielanie ACTH przez przysadkę mózgową. W SM ta reakcja zwrotna jest zaburzona i odpowiedź na stres trwa dłużej niż normalnie, aż do przeciążenia, a nawet wyczerpania zarówno układu sympatycznego, jak i reakcji adaptacyjnych. J. Christian stwierdził również, że pod wpływem zimna przy wydzielaniu ACTH i innych hormonów przysadkowych, tzw. hormonów gonadotropowych, układ przysadkowo-nadnerczowy zostaje naruszony i staje się niezdolny do normalnego regulowania przemiany węglowodanowej. Doprowadza to do obniżenia cukru we krwi, co w następstwie prowadzi do uszkodzenia układu nerwowego. Wszystkie organizmy żywe podlegają prawom stałego rozwoju umożliwiającego im życie w zmieniających się warunkach środowiska, jak również pokonywanie pojawiających się trudności. Dostosowanie się do warunków klimatycznych w świecie roślin trwa pokoleniami, a nagłe zmiany dotyczące nawet mikroregionów (w górach dotyczy to 100 m n.p.m.), mogą spowodować wadliwy wzrost i rozwój lub też całkowitą degenerację. W różnych warunkach poszczególne sygnały, jakie otrzymują drzewa, są różnie interpretowane. Dla jednych ważnym momentem w życiu jest długość dnia, dla innych najistotniejsza jest średnia temperatura gleby lub wilgotność powietrza. Obserwuje się to w obrębie jednego gatunku, czego przykładem może być sosna pospolita - pinus silvestris. Czynnik środowiskowy, rozumiany jako warunki klimatyczne, określa różne nisze ekologiczne dla roślin i ich potomstwa. Przesuwanie się w przestrzeni danej populacji jest procesem niemal niezauważalnym w czasie trwania naturalnej sukcesji. Organizmy ludzkie mają o wiele większe możliwości adaptacyjne niż rośliny i zwierzęta. Centralny system regulacji temperatur, zlokalizowany w podwzgórzu mózgu, synchronizujący całość funkcjonowania organizmu poprzez spójne działania układów kontrolnych: nerwowego i hormonalnego jest jednak także ograniczony do pewnej niszy ekologicznej. Przekroczenie istniejących granic stwarza zagrożenie zaniku niektórych więzi i może zapoczątkować chorobę. Przypuszcza się, że choroba SM występuje u osób, które uczestniczyły pokoleniowe w przekroczeniu barier klimatycznych. Zawsze przeszłość determinowała przyszłość, a wszystkie skutki miały swoje przyczyny. Można zauważyć, że w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej nie dotyczy to Indian, w takim stopniu jak przybyszów, zwłaszcza z północnej części Europy. W Australii nie choruje również ludność rdzenna, czyli Aborygeni. W Kanadzie choroba dotyka tylko jej białych mieszkańców, podobnie jak Afrykanerów w R.P.A. W Europie na częstość występowania SM prawdopodobnie istotny wpływ miały migracje ludności w czasie Wiosny Ludów, wojen i okupacji. W niektórych krajach obejmujących duże obszary geograficzne ludność stosunkowo często przekracza granice klimatyczne i tam również występuje wyższy odsetek zachorowań na SM (por. USA, Rosja). Na ogół można zauważyć, że problem choroby SM nie dotyczy rdzennej ludności, która nie zmieniała stref klimatycznych. Granice typów klimatu określają naturalne zasięgi poszczególnych gatunków roślin. Również świat zwierząt dowodzi istnienia "ras klimatycznych" w obrębie jednego gatunku. Każdy klimat dostarcza pokarmu, do którego człowiek zamieszkujący określone tereny jest pokoleniowe przyzwyczajony. Zawiera on wszystkie potrzebne minerały i witaminy wchodzące w skład apoenzymu. Tak, więc odżywianie właściwe dla danego regionu gwarantuje prawidłowy metabolizm komórkowy. Odgrywa to istotną rolę zwłaszcza w warunkach stresu. Dla ludzi życie w określonym klimacie staje się z upływem czasu coraz mniej jednoznaczne. Być może pokoleniowe wędrówki międzyklimatyczne są powodem wpływu pogody na ich samopoczucie. Wiele osób skarży się na różne dolegliwości, wynikające ze zmian barycznych. U osób chorych na SM przełomy pogodowe są przyczyną zaostrzenia objawów i osłabienia ogólnej sprawności. Dodatkowo mogą zaistnieć utrudnienia z dostosowaniem się do zmiennej temperatury otoczenia i z utrzymaniem jej równowagi wewnętrznej. Równowagę tę, bowiem zabezpiecza niezaburzona praca centralnego mechanizmu regulacji temperatury. Bardzo prawdopodobne może być założenie, że nieprawidłowość funkcjonowania tego systemu jest przyczyną braku synchronizacji pracy układu nerwowego i hormonalnego lub braku realizacji sygnałów otrzymywanych z układu nerwowego przez układ hormonalny. Informacje o termicznym stanie organizmu odbierane przez termoreceptory docierają do podwzgórza ze wszystkich obszarów ciała. Tam dokonują się: bieżąca ocena aktualnego stanu temperatury oraz procesy korygujące nawet najmniejsze odchylenia od normy. W sytuacji braku równowagi cieplnej dochodzi do uruchomienia reakcji termoregulacyjnych o charakterze kompensacyjnym i przywrócenia optymalnej temperatury. Podczas ochłodzenia organizmu mechanizmy termoregulacyjne aktywowane przez zimno zabezpieczają go przed nadmiernym ochłodzeniem. Wywołują one mimowolne drżenie mięśni - dreszcze. Wzmaga to produkcję ciepła, co można utożsamiać z pracą mięśni. Kurczące się włókna mięśniowe wytwarzają go więcej niż normalnie. Oziębienie powoduje zwiększone wydzielanie hormonów gruczołu tarczycowego, one zaś wzmagają przemianę materii i nasilają produkcję ciepła. W tej sytuacji zwiększa się zapotrzebowanie na substancje niezbędne w procesach metabolicznych. Brak ich przy niespójnej pracy układu przysadkowo-nadnerczowego powoduje obumieranie komórek centralnego układu nerwowego (CUN). W każdym uszkodzonym miejscu CUN komórki mikrogleju, mające właściwości komórek immunologicznych, usuwają części uszkodzone. Następnie astrocyty, których zadaniem jest utrzymanie całości strukturalnej układu, kończą proces naprawczy przez wytworzenie blizny. W istocie białej najpierw pojawia się odczyn zapalny w postaci nagromadzenia krwinek białych i płynu (obrzęk) wokół naczyń krwionośnych układu nerwowego. W obszarze objętym odczynem zapalnym dochodzi do uszkodzenia mieliny (demielinizacja). Później uszkodzone jej fragmenty są usuwane (remielinizacja). Opisany proces jest naturalnym procesem naprawczym. W przebiegu choroby obserwuje się uszkodzenie układu ruchowego, czuciowego i wegetatywnego. Może to być wynikiem przeciążenia pracą CUN, przy braku zwiększonej podaży węglowodanów i różnych transmiterów, niezbędnych do przyspieszenia metabolizmu, regulacji przepływu krwi i kontroli temperatury w organizmie. Uszkodzenie komórek CUN prowadzi do ich śmierci (apoptoza), ponieważ komórki nieotrzymujące impulsów nerwowych giną. Wydaje się, że w SM komórki gleju zwane, oligodendrocytami, te, które produkują mielinę (osłonkę nerwową), są najbardziej podatne na omawiane powyżej uszkodzenia. Zaburzony przepływ bodźców nerwowych, z powodu ich uszkodzenia, z kolei odbija się na stanie mięśni i układu limfatycznego. Ten ostatni, poruszany pracą mięśni, przenosi pobierane z układu pokarmowego tłuszcze zwierzęce, ponieważ te, z uwagi na wielkość cząsteczek, nie są pobierane przez krew. Przy zakłóconym ruchu limfy mogą również zachodzić inne niekorzystne zjawiska, związane z procesami dyfuzji przy określonym ciężarze elementów morfotycznych limfy. Utrudnia to lub wręcz uniemożliwia regenerację układu nerwowego w tych miejscach. Nieprawidłowo funkcjonujący układ przysadkowo-nadnerczowy nie zabezpiecza w sytuacjach przeciążenia organizmu właściwego poziomu ACTH. Prawdopodobne jest, zatem, że podanie leku hormonalnego jest uzupełnieniem braków w procesach metabolicznych. Podanie solumedrolu skraca również czas trwania zaostrzenia objawów oraz zmniejsza jego ciężar, a nawet czasami umożliwia samonaprawę uszkodzeń.
Problematyka badawcza Zakładu Fizjologii obejmuje fizjologiczne i hormonalne zmiany pod wpływem różnych rodzajów wysiłku fizycznego oraz zróżnicowanie odpowiedzi organizmu kobiety i mężczyzny na wysiłek fizyczny. W obszarze naszych zainteresowań znajduje się również sterowanie treningiem zawodników i zawodniczek oraz pacjentów po przebytych chorobach serca i układu krążenia oraz objętych leczeniem po operacjach idiopatycznego skrzywienia kręgosłupa. Przeprowadzamy również badania dotyczące metabolicznej charakterystyki starzenia się, specjalnie problemu andropauzy, z włączeniem wpływu wysiłku fizycznego. Zajmujemy się także oceną hipoksji wysiłkowej pod względem zmian poziomu puryn i pirymidyn w surowicy krwi, a także wpływem treningu zdrowotnego na stężenie homocysteiny, jako wskaźnika zmian aterogennych organizmu, i wpływem wysiłku na poprawę wydolności u pacjentów cierpiących na schorzenia cywilizacyjne: cukrzycę typu II, nadciśnienie tętnicze, chorobę niedokrwienną serca, nietolerancję glukozy, insulinooporność, osteoporozę.
Oznaczanie hormonów organizmu człowieka, komputerowa rejestracja wysiłku, współpraca badawcza w ocenie wysiłkowych parametrów fizjologicznych, współpraca badawcza w zakresie kompleksowego określenia wpływu treningu zdrowotnego Temperatura jest jednym z krytycznych czynników środowiskowych regulujących bioróżnorodność i ewolucję na Ziemi. Większość organizmów żyje w przedziale od 20C do 40C. Mikroorganizmy mogą żyć i rozmnażać się prawie w całym zakresie temperatur, w którym woda występuje jeszcze w stanie płynnym. Zakres ten bardzo się rozszerza przy dużym zasoleniu środowiska i wysokim ciśnieniu. Temperatura reguluje metabolizm komórek żywych i decyduje o szybkości reakcji chemicznych w nich zachodzących. Oddziałuje m.in. na strukturę przestrzenną cząsteczek białek czy kwasów nukleinowych, która jest utrzymywana dzięki wiązaniom wodorowym. Wiązania te powstają w stosunkowo niskiej temperaturze, a są zrywane w wysokich temperaturach. Utrata konformacji jest równoznaczna z utratą funkcji w komórce. Temperatury powyżej 100C w normalnych warunkach denaturują białka i kwasy nukleinowe, zwiększają do poziomu letalnego upłynnienie błon. Niskie temperatury usztywniają błony komórkowe, wpływają na ich zwartość i kruchość. Jeśli wewnątrz komórek powstaną kryształy lodu, następuje rozrywanie komórki. Komórki z uszkodzonymi błonami tracą swój pierwotny kształt, zmieniają swoją objętość i ładunek powierzchniowy w konsekwencji wypływu lub gromadzenia się jonów albo innych cząstek w jej wnętrzu.
ŹRÓDŁA:
www.edupress.pl
www.awf.poznan.pl
sm.esculap.pl/przyczyny/4.htm